潜艇操纵运动水动力数值研究

摘要

海洋资源的开发和利用对潜水器的操纵性提出了更高的要求，因此有必要对潜水器的水动力导数的数值预报方法进行研究。由于SUBOFF潜艇的试验数据最为全面，已成为验证数值方法的标准算例，所以本文采用FLUENT软件对SUBOFF潜艇操纵运动进行数值方法研究。
　　首先，本文对SUBOFF潜艇进行了直航试验的数值模拟。通过对SUBOFF裸艇体直航试验的数值模拟，研究了流场介质和温度对计算结果的影响，计算结果表明，温度每升高3摄氏度，计算结果约减小1％；相同温度下，以海水为介质比淡水为介质的计算结果约大3%。因此，选择与试验条件下相同的温度的介质是计算可靠的重要一环。
　　通过对SUBOFF裸艇和全附体进行直航试验的数值模拟，分析了Standard k-ε和RNG k-ε湍流模型的适用性。从数值计算结果与试验结果对比来看：Standard k-ε比RNG k-ε模型更适合裸艇直航试验的数值模拟；RNG k-ε比Standard k-ε模型更适合SUBOFF全附体直航试验的数值模拟。湍流模型适用性的结论对斜航试验的数值模拟具有指导意义。通过直航试验的数值模拟，验证了网格及数值方法的可靠性，为斜航试验和旋臂试验的数值模拟打下了很好的基础。
　　其次，本文对SUBOFF潜艇的斜航试验进行了数值模拟。通过对SUBOFF裸艇斜航试验的数值模拟，分析了Standard k-ε和RNG k-ε湍流模型对航速为4.5kn和6.5kn的数值计算结果，通过与试验结果的对比表明，对航速为4.5kn时的数值模拟结果比航速为6.5kn更接近试验值；用Standard k-ε湍流模型模拟裸艇体斜航试验比RNG k-ε湍流模型更加准确，验证了直航试验湍流模型适用性的结论；在航速为4.5kn时，采用Standard湍流模型模拟裸艇斜航试验的误差为在8%以内，能较好的满足工程预报的要求。
　　采用RNG k-ε湍流模型，航速为4.5kn进行了B.H.+Sail和B.H.+4 Planes这两种情况的斜航试验数值模拟。对不同漂角斜航时所受的阻力、横向力和转首力矩进行了预报。与试验的对比结果表明：对B.H.+ Sail斜航试验的数值计算误差在8%以内，能较好的满足工程预报的要求； B.H.+4 Planes斜航试验的数值计算误差在11%以内，满足工程预报的要求。
　　随后，本文通过旋转坐标系方法（SRF）对裸艇旋臂试验进行了数值模拟，计算结果表明，转首力矩的旋转导数与试验值的误差为52.5%，工程预报精度较低。
　　最后，本文以结构化网格为基础，采用基于UDF的添加动量源项法完成了潜艇旋臂试验的数值模拟。预报了不同角速度下的粘性力和力矩。与试验结果的对比表明，裸艇和带附体情况的数值计算误差在9％以内，满足工程预报的要求。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2 相关研究综述

1.3 本文研究的主要内容

第二章 粘性流基本理论和数值方法简介

2.1 控制方程

2.2 湍流模型

2.3 边界条件

2.4 数值方法

2.5 用户自定义函数

第三章 SUBOFF直航试验的数值模拟

3.1 引言

3.2 潜艇模型

3.3 计算区域及网格划分

3.4 数值方法

3.5 直航试验数值模拟结果

3.6 本章小结

第四章 SUBOFF斜航试验的数值模拟

4.1 引言

4.2 潜艇运动坐标系及无因次化

4.3 斜航试验计算区域及网格

4.4 SUBOFF裸艇体斜航试验

4.5 B.H. + Sail斜航试验数值模拟

4.6 B.H. + 4 Planes斜航试验数值模拟

4.7 本章小结

第五章 SUBOFF潜艇旋臂试验数值模拟

5.1 引言

5.2 坐标系转换

5.3 数值方法

5.4 SRF方法模拟潜艇旋臂试验

5.5 基于源项法的潜艇旋臂试验模拟

5.6 本章小结

第六章 全文总结

6.1 主要结论

6.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表与录用的论文

声明

上海交通大学硕士学位论文答辩决议书